Isotopische fractionering, verrijking van een isotoop ten opzichte van een andere in een chemisch of fysisch proces. Twee isotopen van een element verschillen in gewicht maar niet in bruto chemische eigenschappen, die worden bepaald door het aantal elektronen. Subtiele chemische effecten zijn echter wel het gevolg van het verschil in massa van isotopen. Isotopen van een element kunnen lichtjes verschillende evenwichtsconstanten hebben voor een bepaalde chemische reactie, zodat lichtjes verschillende hoeveelheden reactieproducten worden gemaakt uit reactanten die verschillende isotopen bevatten. Dit leidt tot isotopische fractionering, waarvan de mate kan worden uitgedrukt door een fractioneringsfactor, alfa (α), ook wel scheidingsfactor of verrijkingsfactor genoemd. Deze factor is de verhouding tussen de concentraties van de twee isotopen in één verbinding gedeeld door de verhouding in de andere verbinding. Als Nl en Nh de relatieve abundanties zijn van respectievelijk de lichte en de zware isotopen in de oorspronkelijke verbinding en als nl en nh de overeenkomstige abundanties zijn in de nieuwe verbinding, dan is α = (Nl/Nh)/(nl/nh). De fractioneringsfactor is de factor waarmee de verhouding tussen de abundantie van twee isotopen zal veranderen tijdens een chemische reactie of een fysisch proces.
Het neerslaan van calciumcarbonaat uit water is een voorbeeld van een evenwichtsfractioneringsproces. Tijdens deze precipitatie wordt zuurstof-18 verrijkt met een factor van 2,5 procent ten opzichte van de lichtere, meer voorkomende isotoop zuurstof-16; de fractioneringsfactor is afhankelijk van de temperatuur en kan dus worden gebruikt als een middel om de temperatuur te bepalen van het water waarin de precipitatie plaatsvindt. Dit is de basis van de zogenaamde zuurstofisotopengeothermometer.
Tijdens het fotosyntheseproces wordt koolstof-12, de meest voorkomende isotoop van koolstof, verder verrijkt ten opzichte van de zwaardere isotoop, koolstof-13; de cellulose en lignine in hout van bomen wordt tijdens dit proces verrijkt met een factor van ongeveer 2,5 procent. De fractionering is in dit geval geen evenwichtsproces, maar eerder een kinetisch effect: de lichtere isotoop doorloopt het fotosyntheseproces sneller en wordt daardoor verrijkt.
Fysische processen, zoals verdamping en condensatie en thermische diffusie, kunnen ook tot significante fractionering leiden. Zo is bijvoorbeeld zuurstof-16 verrijkt ten opzichte van de zwaardere zuurstofisotopen in water dat uit de zee verdampt. Anderzijds is elk neerslag verrijkt in de zware isotoop, wat resulteert in een verdere concentratie van zuurstof-16 in atmosferische waterdamp. Omdat de processen van verdamping en condensatie zich meestal voordoen in respectievelijk de evenaars- en de poolgebieden, is het zuurstofgehalte van sneeuw in de poolgebieden nu ongeveer 5 procent lager dan in de omringende oceaan. Aangezien de verhouding zuurstofisotopen in neerslag gevoelig is voor kleine veranderingen in temperatuur op het moment van afzetting, zijn metingen van poolijskernen nuttig bij het bestuderen van klimaatverandering.
De splijtbare isotoop uranium-235 is gescheiden van de meer overvloedige, niet-splijtbare isotoop uranium-238 door gebruik te maken van het kleine verschil in de snelheid waarmee de gasvormige hexafluoriden van de twee isotopen door een poreuze barrière gaan.